Bài giảng sử dụng năng lượng tái tạo - chương 1b

1.3. THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.3.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm,
nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ
thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời,
những vùng sa mạc. Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và
1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên
phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện
nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:
• Pin mÆt trêi
Hình 1.23. Hệ thống pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện
trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi
quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là
gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng
mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ
trụ. ứng dụng NLMT dưới dạng này được
phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các
nước phát triển. Ngày nay con người đã
ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay thế
dần nguồn năng lượng truyền thống.
Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn
khá cao, trung bình hiện nay khoảng
5USD/WP, nên ở những nước đang phát
triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng
duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử
dụng cho các vùng sâu, vùng xa nơi mà
đường điện quốc gia chưa có.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công
việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh
hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu

Long và Tây Nguyên. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa
xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta.
• Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời
Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ
cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm
việc truyền động cho máy phát điện.
Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ
thu chủ yếu sau đây:
26
- Hệ thống dùng parabol trụ để tập
trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi
chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu,
nhiệt độ có thể đạt tới 400
o
C.
- Hệ thống nhận nhiệt trung tâm
bằng cách sử dụng các gương phản xạ có
định vị theo phương mặt trời để tập trung
NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao,
nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500
o
C.
- Hệ thống sử dụng gương parabol
tròn xoay định vị theo phương mặt trời để
tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu
điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên
1500
o
C.
Hiện nay người ta còn dùng năng

lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “tháp
năng lượng mặt trời - Solar Power Tower“.
Australia đang tiến hành dự án xây dựng
một tháp năng lượng mặt trời cao 1km với
32 tuốc bin khí có tổng
công suất 200 MW. Dự tính đến năm 2008
tháp năng lượng mặt trời này sẽ cung cấp
điện mỗi năm 650GWh cho 200.000 hộ gia
đình ở miền tây nam New South Wales -
Australia, và sẽ giảm được 700.000 tấn khí
gây hiệu ứng nhà kính trong mỗi năm
• Thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời
Hình 1.26. Thiết bị sấy bằng NLMT
Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ
biến trong lĩnh nông nghiệp để sấy
các sản phẩm như ngũ cốc, thực
phẩm, rau quả ... nhằm giảm tỷ lệ hao
hụt và tăng chất lượng sản phẩm.
Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản,
NLMT còn được dùng để sấy các loại
vật liệu như gỗ.
27
Hình 1.24. Nhà máy điện mặt trời
Hình 1.25. Tháp năng lượng mặt trời
• Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT
như ở Châu Phi.
H×nh 1.27. TriÓn khai bÕp nÊu c¬m b»ng NLMT.
Ở Việt Nam việc ứng dụng
bếp năng lượng mặt trời cũng

đã được nghiên cứu và triển
khai ở một số nơi.
Năm 2000, Trung tâm Nghiên
cứu thiết bị áp lực và năng
lượng mới - Đại học Đà
Nẵng đã phối hợp với các
tổ chức từ thiện Hà Lan triển
khai dự án (30 000 USD) đưa
bếp năng lượng mặt trời - bếp
tiện lợi (BTL) vào sử dụng ở
các vùng nông thôn của tỉnh
Quảng Nam,
Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng đựơc đông đảo nhân dân ủng
hộ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã
huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ngư dân ven biển để họ có thể
nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT .
• Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
Thiết bị chưng cất nước
thường có 2 loại: loại nắp kính
phẳng có chi phí cao (khoảng
23 USD/m
2
), tuổi thọ khoảng 30
năm, và loại nắp plastic có chi phí
rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng
cất kém hơn.
Ở Việt Nam đã có đề tài
nghiên cứu triển khai ứng dụng
thiết bị chưng cất nước dùng
NLMT để chưng cất nước ngọt từ

nước biển và cung cấp nước
sạch dùng cho sinh hoạt ở
những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị
chưng cất
NLMT có gương phản xạ tại một số tỉnh phía Nam và ở hải đảo
28
H×nh 1.28. ThiÕt bÞ ch ng cÊt n íc− −
dïng NLMT
• Động cơ Stirling chạy bằng NLMT
Việc sử dụng NLMT để chạy các
động cơ nhiệt - động cơ Stirling
ngày càng được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi dùng để bơm nước
sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại.
Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy
bằng NLMT cũng đã được nghiên
cứu chế tạo để triển khai ứng dụng
vào thực tế, như động cơ Stirling cho
bơm nước dùng năng lượng mặt trời.
Hình 1.29. Động cơ stirling dùng
NLMT
• Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT
Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để
đun nước nóng. Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều
nước trên thế giới.
Hình 1.30. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT
Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng
dụng rộng rãi ở Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng (hình 1.29). Các hệ thống này
đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn
trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi

trường chung của nhân loại.
Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng như trên
thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt,
với nhiệt độ nước sử dụng 60
o
C thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng
29
ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp hơn nữa.
• Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT
Trong số những ứng dụng của NLMT
thì làm lạnh và điều hoà không khí là
ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí
hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về
làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những
vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước
đang phát triển không có lưới điện quốc
gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu
nhập trung bình của người dân. Với các
máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến
đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt
trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất,
nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao. Ngoài ra các hệ
thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp
thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên
hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá
thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ
thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn
chưa phù hợp với yêu cầu thực tế. ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học
nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có
gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được

nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt
hệ thống cần phải rộng.
1.3.2 . Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng
tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên
và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt
năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng
hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong
những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với
những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển.
Năng lượng mặt trời (NLMT)- nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang
được loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả
các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là
vấn đề có tính thời sự.
Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc,
nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá
lớn từ 100 - 175 kcal/cm
2
.năm (4,2 -7,3GJ/m
2
.năm) do đó việc sử dụng NLMT ở nước
ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam
30
Hình 1.31. Tủ lạnh dùng pin mặt trời
hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có
gương phản xạ và đặc biệt là hệ thống cung cấp nước nóng kiểu tấm phẳng hay kiểu
ống có cánh nhận nhiệt. Nhưng nhìn chung các thiết bị này giá thành còn cao, hiệu
suất còn thấp nên chưa được người dân sử dụng rộng rãi. Hơn nữa, do đặc điểm phân
tán và sự phụ thuộc vào các mùa trong năm của NLMT, ví dụ: mùa đông thì cần nước
nóng nhưng NLMT ít, còn mùa hè không cần nước nóng thì nhiều NLMT do đó

các thiết bị sử dụng NLMT chưa có tính thuyết phục. Sự mâu thuẫn đó đòi hỏi
chúng ta cần chuyển hướng nghiên cứu dùng NLMT vào các mục đích khác
thiết thực hơn như: chưng cất nước dùng NLMT, dùng NLMT chạy các động cơ
nhiệt (động cơ Stirling), nghiên cứu hệ thống điều hòa không khí dùng NLMT... Hệ
thống lạnh hấp thụ sử dụng NLMT là một đề tài hấp dẫn có tính thời sự đã và đang
được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu, nhưng vấn đề sử dụng bộ
thu NLMT nào cho hiệu quả và thực tế nhất thì vẫn còn là một đề tài cần phải nghiên
cứu, vì với các bộ thu kiểu tấm phẳng hiện nay nếu sử dụng ở nhiệt độ cao 80 - 100
o
C
thì hiệu suất rất thấp (<45%) do đó cần có một mặt bằng rất lớn để lắp đặt bộ thu cho
một hệ thống điều hòa không khí bình thường.
Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước
quan tâm. Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn, nhưng tỷ trọng năng lượng được sản
xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn.
Nguyên nhân chính chưa thể thương mại hóa các thiết bị và công nghệ sử dụng
NLMT là do còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết :
- Giá thành thiết bị còn cao: vì hầu hết các nước đang phát triển và kém phát
triển là những nước có tiềm năng rất lớn về NLMT nhưng để nghiên cứu và ứng dụng
NLMT lại đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, nhất là để nghiên cứu các thiết bị làm lạnh và
điều hòa không khí bằng NLMT cần chi phí quá cao so với thu nhập của người dân ở
các nước nghèo.
- Hiệu suất thiết bị còn thấp: nhất là các bộ thu năng lượng mặt trời dùng để cấp
nhiệt cho máy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao trên 85
0
C thì các bộ thu phẳng đặt cố
định bình thường có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh chưa phù
hợp với nhu cầu lắp đặt và thẩm mỹ. Các bộ thu có gương parabolic hay máng
parabolic trụ phản xạ bình thường thì thu được nhiệt độ cao nhưng vấn đề định
vị hướng hứng nắng theo phương mặt trời rất phức tạp nên không thuận lợi cho việc

vận hành.
- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế: về mặt lý thuyết, NLMT là một
nguồn năng lượng sạch, rẻ tiền và tiềm tàng, nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang lại lợi
ích kinh tế và môi trường rất lớn. Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tương đối hoàn
chỉnh. Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trình làm
việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất
khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Đặc biệt là trong kỹ thuật lạnh và điều tiết
không khí, vấn đề nghiên cứu đưa ra bộ thu năng lượng mặt trời để cấp nhiệt cho chu
trình máy lạnh hấp thụ đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nhằm đưa ra
bộ thu hoàn thiện và phù hợp nhất để có thể triển khai ứng dụng rộng rãi vào thực tế.
31
1.4. TÍNH TOÁN MỘT SỐ THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.4.1. Bộ thu năng lượng mặt trời (collector mặt trời)
1.4.1.1. Nguyên lý chuyển hoá quang nhiệt của collector mặt trời
Các quá trình chuyển hoá quang nhiệt dựa trên một trong hai nguyên lý sau:
* Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính
Bộ phận thu nhiệt có cấu tạo như một chiếc hộp (hình 1.32) gồm tấm che làm
bằng vật liệu trong suốt như kính hoặc vật liệu tổng hợp PVC (màng mỏng polyetilen
hoặc nhựa cứng), mặt đáy được làm bằng vật liệu hấp thụ nhiệt, có thể là kim loại sơn
đen hoặc vật liệu tương tự có bề mặt đen không bóng. Khi có bức xạ mặt trời chiếu
qua tấm che trong suốt thì phần lớn phổ bức xạ sẽ đi qua tấm che vì các tia bức xạ
mặt trời đi đến bề mặt colector hầu hết có bước sóng ngắn với λ < 3 μm và được hấp
thụ bởi bề mặt bôi đen nằm dưới đáy. Sau khi bị đốt nóng tấm hấp thụ phát ra các tia
bức xạ có bước sóng dài hơn, những tia bức xạ này sẽ bị giữ lại trong bộ thu nhiệt bởi
tấm che theo hiệu ứng lồng kính. Nếu không có tấm che thì bức xạ nhiệt sẽ tản ra môi
trường và nhiệt độ của mặt hấp thụ sẽ ổn định ở giá trị không cao. Nhờ có tấm che
trong suốt ngăn bức xạ có bước sóng dài nên nhiệt độ trong bộ thu nhiệt tăng dần.
Nếu tăng số tấm che trong suốt lên 2 đến 3 lần thì nhiệt độ trong bộ thu nhiệt càng
cao.

Tấm che
Tấm hấp thụ

Hình 1.32. Sơ đồ nguyên lý bẫy nhiệt.
* Nguyên lý hội tụ bức xạ:
Tất cả các tia tới của bức xạ mặt trời đến một mặt gọi là mặt phản xạ, các tia bức
xạ sẽ bị khúc xạ, các tia khúc xạ này sẽ hướng về một điểm hay một đường tuỳ thuộc
vào cấu tạo của mặt phản xạ, do cường độ tia bức xạ quá lớn ở tại điểm hoặc đường
mà tia khúc xạ tới nên làm nóng vật đặt tại đó. Dựa trên nguyên lý hội tụ bức xạ
người ta chia làm hai loại:
- Loại hội tụ bức xạ theo điểm là các thiết bị dùng gương cầu lõm có dạng
paraboloit tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao, nhờ vậy tập trung ở tiêu điểm nhiệt
độ từ vài trăm đến trên 3000
o
C.
32
Các tia bức xạ
Lớp cách nhiệt
- Loại hội tụ theo đường là các thiết bị dùng gương hình lòng máng dài, mặt cắt
ngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong làm hội tụ bức xạ theo đường tiêu cự.
Nếu đặt tại đường tiêu cự một ống dài cho nước đi qua thì nước sẽ được đun nóng
lên.
Nói chung các thiết bị chuyển hoá quang nhiệt làm việc theo nguyên lý hội tụ ít
được phổ biến do có một số nhược điểm sau:
Mặt phản xạ nhanh bị mờ sau một thời gian làm việc ngoài trời do đó mà hiệu
suất giảm nhanh, phải thường xuyên xoay mặt phản xạ theo hướng mặt trời, nếu dùng
thiết bị tự động thì giá thành sẽ cao mà xoay thủ công cũng không được thuân tiện,
thiết bị này chỉ thu được phần trực xạ (tia nắng trực tiếp) còn phần tán xạ thì không
thu được, nếu khi bị mây che khuất thì thiết bị không thu được năng lượng.
1.4.1.2. Collector mặt trời để đốt nóng không khí

• Collector phẳng: Collector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng dạng tấm phẳng.
Hình 1.33 trình bày sơ đồ cấu tạo chung của collector phẳng.
Hình 1.33. Sơ đồ cấu tạo của collector phẳng.
Tấm che được làm bằng thuỷ tinh hay bằng vật liệu trong suốt khác. Nhiệm vụ
cơ bản của các tấm che là tạo ra hiệu ứng lồng kính để làm giảm bớt tổn thất năng
lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của colletor ra ngoài môi trường, đồng thời góp phần
hạn chế tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu. Các tấm che này phải có độ trong suốt
cao để cho các tia bức xạ xuyên qua ở mức tối đa. Tuỳ theo mức nhiệt độ làm việc
của ollector mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N. Khi nhiệt độ làm việc càng
cao thì N càng lớn, giá tri phổ biến của N là từ 1 đến 2. Trong một vài trường hợp có
thể người ta không cần dùng đến tấm che.
Bề mặt hấp thụ là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền lại cho môi chất
làm việc (không khí hoặc chất lỏng). Thông thường bề mặt này được sơn mầu đen. Để
gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược lại từ
bề mặt hấp thụ người ta có thể dùng các loại sơn chuyên dụng để tạo nên bề mặt hấp
thụ chọn lọc (selective surface).
33
Lớp cách nhiệt đặt ở mặt dưới của collector để giảm tổn thất nhiệt theo hướng
đáy của collector, ngoài ra có thể bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các cạnh bên
của collector.
So với các loại collector khác thì collector dạng tấm phẳng có một số ưu điểm
như: có thể hấp thụ tất cả các loại tia bức xạ, không cần quay theo mặt trời, dễ gia
công, không cần bảo trì thường xuyên và giá thành khá rẻ.
Collector phẳng được chia thành nhiều loại, sau đây là một số loại collector
phẳng sử dụng phổ biến:
- Collector tấm trần:
Hình 1.34. Collector tấm trần
Loại collector tấm trần không cần tấm che, tấm hấp thụ nằm phía trên, dòng
khí chuyển động phía dưới của tấm hấp thụ, tổn thất bức xạ và đối lưu lớn ở trên bề
mặt, thích hợp cho việc tăng nhiệt độ khoảng 3 ÷ 5 (

o
C)
- Collector dòng trên:
Hình 1.35. Collector dòng trên
Collector dòng trên có dòng khí chuyển động giữa tấm hấp thụ và tấm che. Năng
lượng hữu ích có giảm chút ít do phản xạ và tính hấp thụ của tấm che. Giảm được mất
mát nhiệt đối lưu và bức xạ. Nhiệt độ có thể tăng lên 10 ÷ 30
o
C.
- Collector dòng dưới:
Collector này giảm mất mát nhiệt do tấm hấp thụ được che bằng vật liệu trong
suốt. Dòng khí chuyển động bên dưới tấm hấp thụ. Nhiệt độ dòng khí tăng lên được
30
o
C, giảm bám bụi vào bề mặt hấp thụ và tấm che.
34
Hình 1.36. Collector dòng dưới
.- Collector dòng song song:
Hình 1.37. Collector dòng song song
Đặc điểm của collector dòng song song là dòng khí chuyển động cả bên trên và
bên dưới của tấm hấp thụ. Điều đó làm tăng cường bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ tấm
hấp thụ thấp, giảm được tổn thất nhiệt do bức xạ. Tuy nhiên bề mặt hấp thụ bị lắng
bụi.
• Collector dạng zic zắc: Cấu tạo của collector dạng này gần giống như
collector phẳng chỉ khác bề mặt hấp thụ có dạng zic zắc. Mục đích làm mặt hấp thụ có
dạng zic zắc là để tăng diên tích bề mặt hấp thu nhiệt, đồng thời tăng hiệu suất hấp
thụ nhiệt do các tia bức xạ tới được phản xạ và hấp thụ nhiều lần.
Hình 1.38. Collector zíc zắc
Hình 1.38. Collecor dạng zic zăc
Để đạt được hiệu suất cao nhất khi sử dụng thiết bị dạng này thì góc nghiêng và kích

thước của tấm hấp thụ là yếu tố được quan tâm nhất khi tính toán thiết kế.
35
Bức xạ mặt trời
• Collector dạng tập trung:
Cấu tạo của collector dạng tập trung gồm hai phần (hình 1.39): Bề mặt thu nhận
(bề mặt hứng các tia trực xạ) và bề mặt tiếp nhận. Bề mặt thu nhân có nhiệm vụ hứng
các tia trực xạ và hội tụ thành một điểm hoặc một đường tại đó có đặt một mặt tiếp
nhận. Mặt tiếp nhận có tác dụng hấp thụ và bị làm nóng bởi các tia bức xạ từ mặt thu
nhận hội tụ lại tại mặt tiếp nhận này và chuyển thành nhiệt.
Nhìn chung, nhiệt độ làm việc của collector dạng tập trung lớn hơn so với nhiệt
độ làm việc của collector dạng tấm phẳng. Vì vậy, người ta thường thay thế collector
dạng tấm phẳng bằng collector dạng tập trung khi nhiệt độ làm việc vượt quá 100
o
C.
Về nguyên tắc, collector dạng tập trung cần phải được cho quay theo mặt trời nhằm
đảm bảo các tia trực xạ có thể được phản chiếu tốt nhất đến bề mặt tiếp nhận của
collector.
Hình 1.39. Collector tập trung
Khi nghiên cứu về collector dạng tập trung này ta cần phải chú ý đến một thông
số đặc biệt thể hiện tính đặc thù của loại collector nay, đó là tỷ số giữa diên tích bề
mặt hứng các tia trực xạ A
a
và diện tích bề mặt tiếp nhân A
r
, ta gọi đó là tỷ số tập
trung CR (Concentration Ratio)
Khi đó ta có: CR =
Collector dạng tập trung có hai loại điển hình là dạng chỏm cầu (mặt tròn xoay)
và dạng lòng máng. Loại chỏm cầu có độ hội tụ cao, hội tụ về 1 điểm có nghĩa là có tỷ
số CR cao do đó cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng ngàn độ. Còn loại lòng máng

có độ hội tụ trung bình, hội tụ thành một dải (một đường) vì vậy tỷ số CR nhỏ hơn
của loại chỏm cầu loại này có nhiệt độ khoảng 350 ÷ 500
o
C.
36
r
A
a
A
1.4.1.3. Collector mặt trời để cấp nước nóng
a) Collector phẳng
Hình 1.40 trình bày sơ đồ cấu tạo bộ thu phẳng để đun nước nóng.

37
1
2
3 4 5 6 7
8
a
b
Hình 1.40. Cấu tạo bộ thu phẳng đun nóng nước
1. Lớp cách nhiệt; 2. Lớp đệm tấm phủ trong suốt; 3.Tấm phủ
trong suốt; 4. Đường nước nóng ra; 5. Bề mặt hấp thụ nhiệt; 6.
Lớp tôn bọc; 7. Đường nước lạnh vào; 8. Khung đỡ.
Trong các bộ phận của collector, bộ phận quan trọng nhất và có ảnh hưởng lớn đến
hiệu quả sử dụng của collector là bề mặt hấp thụ nhiệt. Sau đây là 3 mẫu collector có bề
mặt hấp thụ nhiệt đơn giản với hiệu quả hấp thụ cao có thể dễ dàng chế tạo trong điều
kiện Việt Nam
Hình 1.41. Các dạng bề mặt hấp thụ của collector đun nóng nước.
Nhận xét:

- Loại bề mặt hấp thụ dạng dãy ống có kết quả thích hợp nhất về hiệu suất hấp
thụ nhiệt, giá thành cũng như chi phí chế tạo. Tuy nhiên nếu trong trường hợp không
có điều kiện để chế tạo thì có thể chọn loại bề mặt hấp thụ dạng loại hình rắn. Bề mặt
hấp thụ dạng tấm cũng có kết quả tốt như dạng dãy ống nhưng đòi hỏi nhiều công và
khó chế tạo hơn.
- Tấm hấp thụ dạng dãy ống được đan xen vào tấm hấp thụ có hiệu quả cao
nhất. Ngoài ra có thể gắn tấm hấp thụ và ống hấp thụ bằng phương pháp hàn sẽ cho
hiệu quả hấp thụ cao hơn nhưng tốn thời gian và giá thành chế tạo cao hơn.
• Tính toán bộ thu phẳng
Khảo sát panel mặt trời với hộp thu kích thước a × b × δ, khối lượng m
0
, nhiệt
dung riêng C
0
, được làm bằng thép dày δ
t
, bên trong gồm chất lỏng tĩnh có khối lượng
m và lưu lượng G chảy liên tục qua hộp. Xung quanh hộp thu bọc một lớp cách nhiệt,
hệ số toả nhiệt ra không khí α. Phía trên mặt thu F
1
= ab với độ đen ε là một lớp
không khí và một tấm kính có độ trong D. Chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của các lớp
này là δ
c
, δ
k
, δ
K
và λ
c

, λ
k
, λ
K
.
Cường độ bức xạ mặt trời tới kính tại thời điểm τ là E(τ) = E
n
sinϕ(τ), với ϕ(τ) =
ωτ là góc nghiêng của tia nắng với mặt kính, ω = 2π/τ
n
và τ
n
= 24 × 3600 (s) là tốc
độ góc và chu kỳ tự quay của trái đất, E
n
là cường độ bức xạ cực đại ngày, lấy bằng
giá trị trung bình trong năm tại vĩ độ đang xét. Lúc mặt trời mọc τ = 0. Nhiệt độ đầu
của panel và chất lỏng bằng nhiệt độ t
0
của không khí ngoài trời.
Cần tìm hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trong panel theo thời gian τ và tất cả
các thông số đã cho: t = t(τ, a,b,δ,δ
t
, m
0
, m, C
p
, ε, G, δ
c
, δ

k
,δ
K
, λ
c
, λ
k
,λ
K
, α, t
0
, ω, E
n
).
Tấm hấp thụ
Dây liên kết
Bề mặt trao đổi
nhiệt hình rắn
Bề mặt trao đổi
nhiệt dạng dãy ống
Tấm hấp thụ
Bề mặt trao đổi
nhiệt dạng tấm
a)
b)
c)
τ
Các giả thiết khi nghiên cứu:
- Panel được đặt cố định sao cho mặt thu F
1

vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo
trái đất.
- Tại mỗi thời điểm τ, coi nhiệt độ chất lỏng và hộp thu đồng nhất: t(τ)
- Lập phương trình cân bằng nhiệt cho hộp thu:
Khi panel đặt cố định (tĩnh), xét cân bằng nhiệt cho hệ gồm chất lỏng và hộp
kim loại trong khoảng thời gian dτ kể từ thời điểm τ.
Mặt F
1
hấp thụ từ mặt trời một lượng nhiệt bằng:
δQ
1
= ε
1
DE
n
sinωτ.F
1
sinωτ.dτ
D,
δ
Κ

,
λ
Κ
n
t
o
D

1,3α

ω
E(
τ)
ϕ(
τ)
ϕ
o
δ
κ

,
λ
κ
δ
,

m

,

C
p
GC
P
t
o

α

α
t
o
Lượng nhiệt δQ
1
được phân ra các thành phần để:
- Làm tăng nội năng vỏ hộp: dU = m
0
.C
0
.dt
- Làm tăng entanpi lượng
nước tĩnh: dI
m
=
m.C
p
.dt
- Làm tăng entanpi dòng nước: dI
G
= GdτC
p
.(t – t
0
)
- Truyền nhiệt ra không khí ngoài trời qua đáy F
3
= ab và các mặt bên F

2
= 2δ(a + b) với hệ số truyền nhiệt k
3
= k
2
= , qua mặt thu F
1
= ab với
k
1
= .
Vậy tổng nhiệt lượng tổn thất ra môi trường δQ
2
= (k
1
F
1
+ k
2
F
2
+ k
3
F
3
)(t – t
o
)dτ.
Phương trình cân bằng nhiệt:
δQ

1
= dU + dI
m
+ dI
G
+ δQ
2

sẽ có dạng: ε
1
DE
t
F
t
sin
2
ϕ(τ)dτ = dt+ (GC
p
+ ))(t – t
o
)dτ.
Sau phép biến đổi T(τ) = t(τ) – t
0
và đặt:
a = (K/s) b = (s
-1
)
thì phương trình cân bằng nhiệt cho panel tĩnh là:
T’(τ) + bT(τ) = a sin
2

(ωτ) (1.29)
Hình 1.42. Mô hình tính toán bộ thu phẳng
t
m
o

,

C
o
,

a
b
δ
δ
c

,
λ
c
ε
1

F
1
=

a
b

1
1
c
c
δ
λ α
−
 
+
 ÷
 
1
1
1,3
k
K
k K
δ
δ
λ λ α
−
 
+ +
 ÷
 
n 1
i i

ε D E F P
=
m C C
∑
p i
i i
GC + k F
W
=
m C C
i
∑
∑
với điều kiện đầu T(0) = 0
Khi panel động được quay để diện tích hứng nắng luôn bằng F
1
thì mặt F
1
hấp thụ
được: δQ
1
= ε
1
DE
n
sinωτ.F
1
dτ (J). Do đó tương tự như trên, phương trình cân bằng nhiệt
cho panel động có dạng:
T’(τ) + bT(τ) = a sin(ωτ) (1.30)

với điều kiện đầu T(0) = 0
- Xác định hàm phân bố nhiệt độ:
Hàm nhiệt độ trong panel tĩnh sẽ được tìm ở dạng: T(τ) = A(τ)e
-bt
.
Theo phương trình (1.1) ta có:
A(τ) = a∫e
bt
sin
2
ωτ.dτ =
Với I = ∫cos2ωt.de
bt
=
tức là: I =
( )
1
2 2
2 sin 2 cos2 )
4
bt
be
I t b t C
b
ω ω ω
ω
= + +
+
Hằng số C
1

được xác định theo điều kiện đầu T(0) = 0 hay A(0) = 0, tức là
1
2
1
1 ( / 2 )
C
b
ω
=
+
. Do đó, hàm phân bố nhiệt độ trong panel tĩnh có dạng:
T(τ) =
( )
2 2 2
1 2 sin 2 cos2
2 4 1 ( / 2 )
bt
a b e
b
b b b
ω ωτ ωτ
ω ω
−
 
− + −
 
+ +
 
(1.31)
Nếu dùng phép biến đổi (Asinx + Bcosx) =

2 2
sin
B
A B x artg
A
 
+ +
 ÷
 
thì hàm
(1.31) sẽ có dạng:
T(τ) =
2 2 2
1 sin 2
2 4 2 1 ( / 2 )
bt
a b b e
artg
b b b
ωτ
ω ω ω
−
 
 
− + −
 ÷
 
+ +
 
 

(1.32)
Số hạng cuối cùng của tổng có giá trị nhỏ hơn 1 và giảm rất nhanh nên khi
τ >1h có thể bỏ qua.
Hàm nhiệt độ trong panel động là nghiệm của hệ phương trình (1.2) được tìm như
cách trên sẽ có dạng:
T
đ
(τ) =
2
2
sin
1 ( / 2 )
1 ( / )
bt
a b e
artg
b
b b
ωτ
ω ω
ω
−
 
 
+ −
 ÷
 
+
 
+

 
(1.33)
Số hạng sau của tổng luôn nhỏ hơn 1 và giảm khá nhanh nên khi τ > 2h có thể bỏ
qua.
bt bt
a a
e (1-cos2ωτ)dτ = (e - I)
2 2b
∫
2
bt
e 2ω
(2ωsin2ωτ + bcos2ωτ) -
b b
 
 ÷
 